1、毕业论文 文献综述 电气工程及自动化 步进电机的综述 摘要： 本文简要的介绍了步进电机的工作原理及一些参数，并对步进电机的驱动以及特点进行了简要的介绍。 关键词 ： 步进电机、工作原理、参数、驱动、特点 前言 ： 随着微电子和技术计算机的发展，步进电机的需求量与日俱增。它广泛应用于打印机、电动玩具等消费类产品以及数控机床、工业机器人中都有应用。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机 ， 交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制 系 统方可使用 1。因此用好步进电机却非易事 ，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 所以研究步进电机的
2、控制系统，对提高控制精密度忽然响应速度、节约能源都具有重要意义。 1.步进电机的工作原理 步进电动机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件 2。 它实际上是一中单相或多相同步机。 在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为 “ 步距角 ” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉 冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的 3。 所以步进电机非常适合
3、微机和单片机控制，能广泛使用。 步进电机主要有三种类型：反应式、永磁式、混合式。其中 反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩 ； 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5度或 15度 ； 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式 的优点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 1.8度而五相步进角一般为 0.72度 3。 2步进电机的一些参数 2 1.步进电机步矩角（ ）的确定 4 确定步进电机步距角应根据数控系统的脉冲当量而定。脉冲当量是指定
4、单位脉冲所产生的直线位移量或角位移量， 通常有系统要求的精度来定。 通常步进电机步距角 的一般计算按下式计算 . =360/ （ ZmK ） 式中 步进电机的步距角； Z 转子齿数； m 步进电动机的相数 (电机内部的线圈组数 )； K 控制系数，是拍数与相数的比例系数 2.2 步进电机的相数 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱动器，则 相数
5、将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以改变步距角。 2.3 保持转矩（ HOLDING TORQUE） 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常 步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 2N.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2N.m 的步进电机 。 3步进电机的驱动 步进电动机由脉冲信号驱动 ， 针对一个电压脉冲 ， 转子转动一步 。 一般情况下 ， 根据电压脉冲的分配方式 ，
6、步进电动机各相绕组电流轮流切换 ， 使步进电动机转子步进旋转 5。 控制步进电机电源的脉冲与方向信号源常用数控系统 ,但对于一些在运行过程中移动距离和 速度均确定的具体设备 ,采用 PLC(可编程控制器 )就 是一种理想的技术方案。电动机其角位移与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率可以调节电动机的转速。 步进电动 工作方式最常见的有 ： 三 相单三拍工作方式、三相双三拍工作方式、三相六拍工作方式 6。 步进电动机相绕组通过的电流幅值和电流密度 ,必须保证电机气隙中有足够的磁通和绕组里有足够的工作电流 :工作电流是一种周期性通断的脉冲电流 ,工作电流也就是起动电流 ,增大
7、起动电流 ,可以提高电动机的出力 7。 为了提高步进电动机的工作能力 ,保持转矩恒定和加宽 拖动工作频率范围 ,就要使每相绕组在控制脉冲的控制过程中。同时 ,相绕组电流上升和下降的过程加快 （ 加速 ） ,并在控制脉冲持续期间 ,保证有合适的恒定值 8。步进电动机驱动线路构成原则 ,就在于解决“加快”的方法。 4 步进电机特点 9-10 1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130
8、度以上，有的甚至高 达摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90度完全正常 。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转 ,但若高于一定速度就无法启动 ,并伴有啸叫声 。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率 应更低。如果要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过
9、程，即启动频率较低，然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 小结 ： 本文主要是对步进电机的工作原理、参数、以及驱动和特点进行了简单的介绍。通过本文所述可以看出 步进电机已成为除直流电动机和交流电动机以外的第三类电机。传统电机作为机电能量转换装置，在人类的生产和生活进入电气化过程中起着关键的作用 。 参考文献 1 谢辉，唐勇 .步进电机发展回顾与前景展望 J.重庆三峡学院报 ,2010,31(3) 2 袁涛 .H桥功率驱动电路的设计研 究 D.成都 ： 电子科技大学 ， 2005 3 步进电机 EB/OL,2010,11. http:/ 4 孟军 ， 张振兴 ， 刘波 .
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